KR20150118547A - 실리콘의 단결정을 생산하기 위한 장치 및 프로세스 - Google Patents

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실트로닉 아게
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Abstract

실리콘의 단결정을 생산하기 위한 장치 및 프로세스. 이러한 장치는 플레이트로서, 외부 에지 및 내부 에지를 가지는 상단측, 상기 내부 에지에 인접한 중앙 개구, 및 상기 중앙 개구로부터 상기 플레이트의 하단측 아래까지 연장하는 튜브를 가지는, 플레이트;
입상 실리콘을 상기 플레이트의 상단측 상에 미터링하기 위한 디바이스;
상기 플레이트 상에 배치되고 퇴적된 상기 입상 실리콘의 용해를 위하여 제공되는 제 1 유도 가열 코일;
상기 플레이트 아래에 배치되고 실리콘의 용해물의 안정화를 위하여 제공되는 제 2 유도 가열 코일로서, 상기 용해물은 실리콘의 성장중인 단결정 상에 존재하는, 제 2 유도 가열 코일을 포함한다. 플레이트의 상단측은 세라믹 재료로 이루어지고 상승부들을 가지며, 방사상 방향에서 인접한 상승부들의 중간부들(middles) 사이의 거리는 2 mm 이상 15 mm 이하인 것이 이러한 장치의 특징적인 피쳐이다.

Description

실리콘의 단결정을 생산하기 위한 장치 및 프로세스{APPARATUS AND PROCESS FOR PRODUCING A SINGLE CRYSTAL OF SILICON}
본 발명은 실리콘의 단결정을 생산하는 장치 및 프로세스를 제공하는데, 이를 이용하면 로오 재료(raw material)로서의 입상 실리콘은 단결정을 제공하도록 처리될 수 있다. 장치는 중앙 개구 및 중앙 개구로부터 하향하여 디렉팅되는 튜브를 가지는 플레이트, 입상 실리콘을 플레이트 상에 미터링(metering)하기 위한 디바이스, 플레이트 상에 배치되는 제 1 유도 가열 코일 및 플레이트 아래에 배치되는 제 2 유도 가열 코일을 포함한다.
US2003145781 A1 및 US2011185963 A1 는 언급되는 피쳐들을 가지는 장치들 및 장치들을 사용하여 단결정을 생산하기 위한 프로세스들을 기술한다. 튜브의 하단부는 우선 고체 실리콘으로써 닫히고(closed), 튜브는 액체 실리콘이 닫힌 튜브의 하단부에 형성되도록 제 2 유도 가열 코일의 도움으로 가열된다. 후속하여, 단결정 시드 결정은 액체 실리콘과 접촉되고, 회전되고 하향되며, 동시에, 추가적 실리콘이 튜브의 하단부로부터 용해된다. 시드 결정이 하향되면, 액체 실리콘은 시드 결정 상에서 결정화된다. 네킹(necking)이라고 불리고 변위(dislocations)를 결정화된 부분으로부터 그것의 표면으로 전달하기 위한 목적을 수행하는 페이즈 이후에, 성장하는 단결정이 최종적으로 존재한다. 성장하는 결정의 상단부에서, 단결정의 추가적 성장을 지원하는 실리콘의 작은 볼륨의 용해물(melt)이 존재한다. 용해물의 볼륨 및 성장하는 단결정의 직경은 타겟 직경이 획득될 때까지 추가적 페이즈 동안에 일정하게 증가된다. 그 이후에, 원통형으로 성장한 바 있는 부분을 처리하여 추후 스테이지에서 반도체 웨이퍼들을 제공하기 위하여, 단결정은 근사적으로 원통형 방식으로 성장하도록 허용된다. 튜브의 하단부를 닫았던 고체 실리콘이 용해된 이후에, 단결정의 성장을 위하여 요구되는 추가적 액체 실리콘이 제공된다. 이러한 목적을 위하여, 입상 실리콘이 플레이트 상에 퇴적되고 제 1 유도 가열 코일의 도움으로 그리고 플레이트를 회전하는 동안에 용해된다. 이것은 액체 실리콘으로서 플레이트의 상단측으로부터 플레이트 내의 중앙 개구로 그리고 튜브를 통과하여 성장하는 단결정 상의 용해물로 전달한다.
US2003145781 A1 은 석영으로 만들어진 용기(vessel) 또는 실리콘으로 제작되는 플레이트를 플레이트로서 사용하는 것, 및 중앙 개구로 용해하는 실리콘에 대한 흐름 경로를 연장하기 위하여 통로들(passages)을 형성하는 상승부들(elevations)을 플레이트의 상단측에 제공하는 것을 제안한다. 흐름 경로의 연장은 이것이 성장하는 단결정에 도달하기 이전에 입상 실리콘으로부터 유래하는 고체 실리콘의 완전한 용해를 촉진하는 것으로 여겨진다. 만일 이러한 통로들이 존재하지 않아야 한다면, 제 1 유도 가열 코일의 동작에 의하여 중앙 개구의 영역에서 플레이트의 상단측에 고체 실리콘의 베리어가 설립되는 것이 제안된다. 베리어의 높이는 입상 실리콘이 이것이 완전하게 용해되지 않는 한 베리어를 넘어 지나갈 수 없도록 선택된다.
본 발명의 발명자들은 실리콘으로 제작되는 플레이트의 상단측이, 추가적인 단결정의 생산을 위해 플레이트를 사용하는 것이 옵션인 것이 아니거나 집중적인 재컨디셔닝(extensive reconditioning) 이후에만 가능한 정도로 제 1 유도 가열 코일의 동작에 의하여 변경된다는 것을 발견했다. 추가적으로, 석영으로 제조된 플레이트가 사용되는 경우, 상단측의 외부 에지의 영역으로부터 상단측의 내부 에지로의 액체 실리콘의 수송은 심지어 흐름 경로를 연장하기 위한 통로들이 존재하지 않을 때에도 방해받는다(impaired)는 것도 역시 발견되었다.
본 발명의 목적은 플레이트의 간단한 재사용가능성을 가능하게 하고 플레이트의 상단측의 외부 에지로부터 플레이트의 상단측의 내부 에지로의 액체 실리콘의 수송을 용이하게 하는 것이다.
이러한 목적은 실리콘의 단결정을 생산하는 장치로서,
플레이트로서, 외부 에지 및 내부 에지를 가지는 상단측, 상기 내부 에지에 인접한 중앙 개구, 및 상기 중앙 개구로부터 상기 플레이트의 하단측 아래까지 연장하는 튜브를 가지는, 플레이트;
입상 실리콘(granular silicon)을 상기 플레이트의 상단측 상에 미터링(metering)하기 위한 디바이스;
상기 플레이트 상에 배치되고 퇴적된 상기 입상 실리콘의 용해를 위하여 제공되는 제 1 유도 가열 코일;
상기 플레이트 아래에 배치되고 실리콘의 용해물(melt)의 안정화를 위하여 제공되는 제 2 유도 가열 코일로서, 상기 용해물은 실리콘의 성장하는 단결정 상에 존재하는, 제 2 유도 가열 코일을 포함하고, 상기 플레이트의 상단측은 세라믹 재료로 이루어지고 상승부들(elevations)을 가지며, 방사상 방향에서 인접한 상승부들의 중간부들(middles) 사이의 거리는 2 mm 이상 15 mm 이하인, 실리콘의 단결정을 생산하는 장치에 의하여 달성된다.
본 발명은 또한 실리콘의 단결정을 생산하는 프로세스로서,
언급된 장치를 제공하는 단계;
상기 플레이트를 회전시키는 동안 상기 상단측의 외부 에지의 영역에서 상기 플레이트의 상단측 상에 입상 실리콘을 퇴적시키는 단계;
상기 입상 실리콘을 용해하고, 상기 용해된 실리콘을, 성장하는 실리콘의 단결정 상의 용해물때까지 상기 플레이트 내의 중앙 개구를 통하여 그리고 상기 튜브를 통하여 상기 상승부들 위에서 전달하는 단계를 포함하는, 실리콘의 단결정을 생산하는 프로세스를 제공한다.
플레이트 및 튜브는 바람직하게는 하나의 조각으로 제조된다. 플레이트의 상단측은 액체 실리콘과의 콘택 상에서 열적으로 안정하한 세라믹 재료로 이루어지고 외래 물질들로써 액체 실리콘을 최소한의 정도로 오염시킨다. 플레이트 및 튜브는 세라믹 재료로써 코팅되는 베이스 구조로 이루어질 수도 있다. 플레이트 및 튜브는 또한 전체적으로 세라믹 재료로 이루어질 수도 있다. 베이스 구조에 대한 가능한 재료들은 세라믹 재료, 예를 들어 금속들 및 탄소로써 코팅될 수 있는, 높은 열적 안정성의 균열-방지(fracture-resistant) 재료들이다. 특히 탄소로 제조되는 베이스 구조들이 더욱 선호된다. 세라믹 재료는 바람직하게는 알루미나(Al2O3), 질화 붕소(BN), 6붕화란탄(LaB6), 실리콘 탄화물(SiC), 실리콘 질화물(Si3N4), 산화이트륨(Y2O3), 산화지르코늄(ZrO2) 또는 석영(SiO2)과 같은 재료이다. 특히 실리콘 탄화물이 더욱 선호된다.
상승부들 때문에, 플레이트의 상단측은 평평하지 않고 구조를 가지도록 제작된다(structured). 상승부들 사이에는 골들, 바람직하게는 닫힌 골들(closed valleys)이 존재한다. 닫힌 골들은 상승부들에 의하여 완전히 둘러싸이는 플레이트의 표면 상의 영역들이다. 골들 중 하나에 존재하는 액체 실리콘은 상승부들에 의하여 밀폐되는 레이크를 형성한다. 이러한 상승부들은 플레이트의 상단측의 외부 및 내부 에지들 사이에서 분포된다. 골들은 예를 들어, 환형, 정사각형, 사각형, 나선-모양 또는 마름모-모양인 윤곽을 가질 수도 있다. 바람직하게는 플레이트의 외부 에지에 있는 골들 및 플레이트 내의 중앙 개구에 방사상으로 더 근접한 골들 사이에 구배(gradient)가 존재한다. 구배는 바람직하게는 1° 이상이고 15° 이하인, 더 바람직하게는 1° 이상이고 5° 이하인 경사각을 가진다. 그러므로 액체 실리콘은 플레이트의 외부 에지로부터 플레이트 내의 중앙 개구로 흘러가는 경향성을 가진다.
발명자들은 상승부들이 플레이트의 상단측의 외부 에지로부터 플레이트의 상단측의 내부 에지로의 액체 실리콘의 수송을 용이하게 하기 위하여 적합하다는 것을 발견했다. 만일 상승부들이 존재하지 않는다면, 액체 실리콘의 중앙 개구로의 수송은 방해된다. 이것의 이유는 액체 실리콘에 의한 세라믹 재료의 적당한 습윤성(wettability)이다. 상승부들이 없는 플레이트 상에서는, 액체 실리콘의 천천히 이동하는 아일랜드(island)가 형성되는데, 이것은 플레이트의 상단측을 드물게만(sparingly) 적시고 중앙 개구로의 흐름의 경향성을 거의 보여주지 않는다.
본 발명에 따라서 제안되는, 상승부들에 의한 플레이트의 상단측에서의 구조화(structuring) 현상은 결과적으로 퇴적된 입상 실리콘의 용해의 과정에서 골들 내의 액체 실리콘의 레이크들의 형성을 초래한다. 시간이 흐름에 따라서, 이러한 레이크들의 볼륨은 상승부들이 더 이상 액체 실리콘들을 골들 내에 가두어둘 수가 없고 레이크들이 오버플로우할 때까지 증가한다. 오버플로우하는 액체 실리콘은 아일랜드들을 형성하는 경향성을 보여주지 않으며, 최종적으로 상승부들 위로 플레이트 내의 중앙 개구를 향해서 흘러간다. 이러한 과정에서, 오버플로우하는 액체 실리콘은 플레이트의 상단측의 큰 영역을 결합하고 커버한다.
골 층(valley floor) 및 그 골을 경계짓는 상승부의 최고 포인트 사이의 높이에서의 차분은 바람직하게는 0.1 mm 이상 5 mm 이하이고, 더 바람직하게는 0.5 mm 이상 3 mm 이하이다. 상승부들 상에서의 액체 실리콘의 대량 전송을 가능하게 하기 위해서, 방사상 방향에서 인접한 상승부들의 중간부들 사이에서의 거리는 2 mm 이상 15 mm 이하이고, 바람직하게는 3 mm 이상 6 mm 이하이다.
본 발명의 장치는, 플레이트가 실리콘으로 이루어진다면 이것을 냉각시키기 위하여 요구될 냉각 디바이스가 필요 없을 수 있다는 추가적인 장점을 가진다. 본 발명의 장치는 이러한 냉각 디바이스를 요구하지 않는다.
특히 바람직한 본 발명의 실시예에서, 위에서 관찰될 경우 상승부들 및 골들은 중앙 개구 중심으로 동심적으로 배치되는 링들을 형성한다. 추가적으로, 상승부들 및 골들은 또한 내부 튜브의 표면에 존재할 수도 있다.
플레이트의 상단측의 외부 에지는 벽에 의하여 둘러싸여질 수도 있고, 및 그 이유로 인하여 플레이트는 디쉬(dish)라고 지칭될 수 있다.
본 발명은 도면들을 참조하여 이제부터 자세히 설명된다.
도 1 은 실리콘의 단결정을 생산하기 위한 본 발명의 장치의 특히 바람직한 실시예의 단면도를 도시한다.
도 2 는 위에서 볼 때 중앙 개구에 대하여 동심적인 환형 상승부들(13) 및 골들(14)이 있는 플레이트(1)를 도시한다.
도 1 은 실리콘의 단결정을 생산하기 위한 본 발명의 장치의 특히 바람직한 실시예의 단면도를 도시한다.
도 1 에 따르는 장치는 외부 에지(3) 및 내부 에지(4)를 가지는 상단측(2)이 있는 플레이트(1)를 포함한다. 플레이트의 중간에는 내부 에지에 인접하는 중앙 개구, 및 중앙 개구로부터 플레이트(6)의 하단측 아래까지 연장하는 튜브(5)가 존재한다. 이러한 장치는 더 나아가 플레이트 위에 배치되는 제 1 유도 가열 코일(7) 및 플레이트 아래에 배치되는 제 2 유도 가열 코일(8)을 포함한다. 제 1 유도 가열 코일(7)은 입상 실리콘을 용해하기 위하여 사용되고, 하부 유도 가열 코일(8)은 실리콘의 성장하는 단결정(10) 상에 존재하는 실리콘의 용해물(9)을 안정화하기 위하여 사용된다. 입상 실리콘(11)은, 예를 들어 확산(scattering)에 의하여, 미터링 디바이스(12)를 이용하여 제 1 유도 가열 코일(7)을 통해서 플레이트의 상단측으로 적용된다. 이것은 바람직하게는 우선 외부 에지에 근접한 외부 영역 내의 플레이트의 상단측과 접촉하는 방식으로 공급된다.
플레이트의 상단측 세라믹 재료로 바람직하게는 실리콘 탄화물로 이루어지고, 닫힌 골들(14)을 경계짓는 상승부들(13)을 가진다. 상승부들(13) 및 닫힌 골들(14)은 위에서 바라보면 중앙 개구에 대하여 동심적으로 놓여있으며 플레이트의 상단측의 외부 에지로부터 내부 에지로 연장하고 튜브의 내부 표면에 역시 존재하는 링들을 형성한다.
도 2 는 위에서 볼 때 중앙 개구에 대하여 동심적인 환형 상승부들(13) 및 골들(14)이 있는 플레이트(1)를 도시한다. 방사상 방향에서, 인접한 상승부들의 중간부들 사이의 거리 D는 2 mm 이상이고 15 mm 이하이다. 그 안으로 입상 실리콘이 적용되는 플레이트(1)의 상단측(2) 상의 영역 B는 예를 들어, 이중 화살표에 의하여 표시되는 방사상 포지션 및 폭을 가진다.
예 및 비교 예:
실리콘의 단결정들의 생산을 위하여 두 개의 상이한 장치들이 제공되었다. 유일한 차이점은, 본 발명이 아닌 방식에서의 생산을 위해서는 그것의 상단측에 상승부들이 없는 플레이트를 가지는 장치가 사용되었다는 것이었다. 본 발명의 방식에서의 생산을 위하여, 그것의 상단측에 존재하는 동심 환형 상승부들을 가지는, 도 2 에 따르는 플레이트를 가지는 본 발명의 장치가 사용되었다.
매끄러운 구성화되지 않은(unstructured) 표면을 가지는 플레이트가 사용되었을 경우, 액체 실리콘의 대량 전달은 액체 실리콘의 느리게 이동하는 아일랜드들의 형성 때문에 크게 방해받았다는 것이 발견되었다. 이러한 단점은 본 발명의 장치가 사용되었을 때에는 발생하지 않았다.

Claims (5)

  1. 실리콘의 단결정을 생산하는 장치에 있어서,
    플레이트로서, 외부 에지 및 내부 에지를 가지는 상단측, 상기 내부 에지에 인접한 중앙 개구, 및 상기 중앙 개구로부터 상기 플레이트의 하단측 아래까지 연장하는 튜브를 가지는, 상기 플레이트;
    입상 실리콘(granular silicon)을 상기 플레이트의 상단측 상에 미터링(metering)하기 위한 디바이스;
    상기 플레이트 상에 배치되고 퇴적된 상기 입상 실리콘의 용해를 위하여 제공되는 제 1 유도 가열 코일;
    상기 플레이트 아래에 배치되고 실리콘의 용해물(melt) - 상기 용해물은 실리콘의 성장하는 단결정 상에 존재함 - 의 안정화를 위하여 제공되는 제 2 유도 가열 코일을
    포함하고,
    상기 플레이트의 상단측은 세라믹 재료로 이루어지고 상승부들(elevations)을 가지며, 방사상 방향에서 인접한 상승부들의 중간부들(middles) 사이의 거리는 2 mm 이상 15 mm 이하인 것인, 실리콘의 단결정을 생산하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 재료는 알루미나(alumina), 질화 붕소(boron nitride), 6붕화란탄(lanthanum hexaboride), 실리콘 탄화물(silicon carbide), 실리콘 질화물(silicon nitride), 탄탈륨 산화물(tantalum oxide), 산화이트륨(yttria), 산화지르코늄(zirconia) 및 석영(quartz)을 포함하는 군으로부터 선택되는 것인, 실리콘의 단결정을 생산하는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 상승부들은 상기 중앙 개구를 중심으로 동심적으로 배치되는 것인, 실리콘의 단결정을 생산하는 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플레이트의 상단측의 외부 에지는 벽에 의하여 둘러싸이는 것인, 실리콘의 단결정을 생산하는 장치.
  5. 실리콘의 단결정을 생산하는 프로세스에 있어서,
    제 1 항 또는 제 2 항에 청구된 바와 같은 장치를 제공하는 단계;
    상기 플레이트를 회전시키는 동안 상기 상단측의 외부 에지의 영역에서 상기 플레이트의 상단측 상에 입상 실리콘을 퇴적시키는 단계;
    상기 입상 실리콘을 용해하고, 상기 용해된 실리콘을, 성장하는 실리콘의 단결정 상의 용해물까지 상기 플레이트 내의 중앙 개구를 통하여 그리고 상기 튜브를 통하여 상기 상승부들 위에서 전달하는 단계를
    포함하는, 실리콘의 단결정을 생산하는 프로세스.
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